用數(shù)字熒光示波器對(duì)功率損耗進(jìn)行高精度分析

　　隨著許多行業(yè)對(duì)開關(guān)電源需求的不斷增長(zhǎng)，測(cè)量和分析下一代開關(guān)電源的功率損耗就顯得至關(guān)重要，本文介紹了如何利用TDS500O系列數(shù)字熒光示波器，加上TDSPWR2功率測(cè)量軟件進(jìn)行功率損耗分析。

　　新型的開關(guān)電源(SMPS，SwitchModePowerSupply)需要給具有數(shù)據(jù)傳輸速度高和GHz級(jí)處理器提供較低的電壓合很高的電流，這給電源設(shè)計(jì)人員在電源效率、功率密度、可靠性和成本幾方面增加了無形的新壓力。為了在設(shè)計(jì)中考慮到這些需求，設(shè)計(jì)人員采用了同步整流技術(shù)、有源功率因數(shù)校正和提高開關(guān)頻率等新結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)也隨之帶來了某些更高的挑戰(zhàn)，如:開關(guān)器件上較高的功率損耗和過度的EMI/EMC。

　　由于開關(guān)式電源耗散的功率決定了電源的效率及其熱效應(yīng)，所以測(cè)定開關(guān)器件和電感器/變壓器的功率損耗是一項(xiàng)極為重要的測(cè)量工作。設(shè)計(jì)人員在精確測(cè)量和分析各種設(shè)備的瞬時(shí)功率損耗時(shí)，所面臨的挑戰(zhàn)有下列幾個(gè)方面:精確測(cè)量功率損耗所需的測(cè)試裝置；校正電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲所造成的誤差；計(jì)算非周期性開關(guān)變化的功率損耗圖；分析負(fù)載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗；計(jì)算電感器或變壓器的磁芯損耗。

　　精確測(cè)量功率損耗所需的測(cè)試裝置

　　圖1所示為開關(guān)變換的簡(jiǎn)化電路。圖1中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地連接，即與地隔離，因此無法用示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的接地參考電壓測(cè)量，因?yàn)槿舭?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/探頭">探頭的接地導(dǎo)線連接在MOSFET的任何端子上，都會(huì)使該點(diǎn)通過示波器與接地短路。

　　　　　　　　　　　　　　　圖1 開關(guān)內(nèi)的電路示意圖

　　在這種情況下，差分測(cè)量是測(cè)量MOSFET電壓波形的最好方法。差分測(cè)量可測(cè)定漏極-源極電壓(VDS)，即MOSFET的漏極端子和源極端子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動(dòng)，電壓范圍可為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍。這里可通過以下幾種方法測(cè)量VDS:

　　*懸浮示波器的機(jī)箱地線。建議不要使用，因?yàn)檫@樣極不安全，對(duì)用戶、被測(cè)設(shè)備和示波器都有危險(xiǎn)。

　　*使用兩個(gè)常規(guī)的單端無源探頭將其接地導(dǎo)線連接在一起，然后用示波器的通道計(jì)算功能迸行測(cè)量。這種測(cè)量法叫做準(zhǔn)差分測(cè)量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié)合使用，但缺少可適當(dāng)阻止任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)功能，這種設(shè)置不能準(zhǔn)確測(cè)量電壓，但可使用已有的探頭。

　　*使用市場(chǎng)上可以買到的探頭隔離器隔離示波器機(jī)箱接地。探頭的接地導(dǎo)線將不再為接地電位，并可將探頭與一個(gè)測(cè)試點(diǎn)直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但較為昂貫，其成本是差分探頭的2～5倍。

　　*在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。可通過差分探頭精確地測(cè)量VDS，這是最好的方法。

　　通過MOSFET進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，先將電流探頭夾好，然后微調(diào)測(cè)量系統(tǒng)。許多差分探頭都裝有內(nèi)置的直流偏移微調(diào)電容器。關(guān)閉被測(cè)設(shè)備待示波器和探頭完全預(yù)熱后，便可設(shè)定示波器測(cè)量電壓和電流波形的平均值。應(yīng)使用實(shí)際測(cè)量所用的數(shù)值設(shè)置敏感度。在沒有信號(hào)的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每一波形的零位平均值調(diào)至0V，這一步驟可最大限度地減少因測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

　　校正因電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲而造成的誤差

　　在開關(guān)式電源內(nèi)進(jìn)行任何功率損耗測(cè)量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號(hào)，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點(diǎn)很重要。這一過程被稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)的方法是先計(jì)算電壓和電流信號(hào)之間的時(shí)滯，然后再以手動(dòng)方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時(shí)滯，但這是一個(gè)非常冗長(zhǎng)乏味的過程。

　　一種較簡(jiǎn)單的方法是采用一種偏移校正夾具和一部TDS5000系列示波器。進(jìn)行偏移校正時(shí)，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測(cè)試點(diǎn)上。偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號(hào)激勵(lì)。如果需要，還可用外部信號(hào)源激勵(lì)偏移校正夾具。

　　TDSPWR2軟件的偏移校正能力，可自動(dòng)設(shè)置示波器并計(jì)算傳導(dǎo)延遲。偏移校正功能隨后便可使用示波器的偏移校正范圍,并對(duì)時(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。至此，測(cè)試設(shè)置現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒，可開始進(jìn)行精確測(cè)量了。圖2和圖3所示為偏移校正之前和之后的電流和電壓信號(hào)。

　　
　　　　　　　　　　　　圖2 電壓和電流信號(hào)的傳導(dǎo)延遲

　圖3 圖2 所示信號(hào)在用TDSPWR2功率測(cè)量的分析軟件“自動(dòng)偏移校正”后的情形

　　計(jì)算非周期性開關(guān)信號(hào)上的功率損耗

　　如果發(fā)射極或漏極有接地，測(cè)量動(dòng)態(tài)的開關(guān)參數(shù)則較為簡(jiǎn)單。但需在浮動(dòng)電壓上測(cè)量差動(dòng)電壓。若需精確地鑒定并測(cè)量差動(dòng)開關(guān)信號(hào)，最好使用差分探頭。我們可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過開關(guān)器件的電流，而無須干擾電路本身。此時(shí)便可用TDSPWR2的自動(dòng)偏移校正功能，去除前面解釋的傳導(dǎo)延遲。

　　TDSPWR2 軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計(jì)算功率波形，并根據(jù)捕獲的數(shù)據(jù)測(cè)量開關(guān)器件的最小、最大和平均功率損耗。在分析開關(guān)器件的功率耗散時(shí)，這些數(shù)據(jù)非常有用。這些數(shù)據(jù)將顯示為Turn on Loss(導(dǎo)通損耗)、Turn off Loss(關(guān)斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開關(guān)器件的功率耗散時(shí)，這些數(shù)據(jù)非常有用。如果知道了接通和斷開時(shí)的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功率損耗。

　　在負(fù)載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關(guān)頻率以驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載。注意，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)器件的功率損耗也隨之變化。所產(chǎn)生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件非常冗長(zhǎng)乏味的任務(wù)，而TDSPWR2的高級(jí)測(cè)量能力，可自動(dòng)計(jì)算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，以此提供開關(guān)器件的有關(guān)信息。

　　負(fù)載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗分折

　　在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，電源有著持續(xù)的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。所以測(cè)量中很重要的一步，是要捕獲整個(gè)負(fù)載變化事件，并對(duì)開關(guān)損耗進(jìn)行鑒定，以確保電源不因這些而過載。

　　當(dāng)今，大部分設(shè)計(jì)人員都采用具有深度內(nèi)存(2MB)和高取樣速率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的挑戰(zhàn)，是如何分析各開關(guān)損耗點(diǎn)所生成的大量數(shù)據(jù)，因?yàn)樗o開關(guān)器件造成了很大的應(yīng)力。

　　TDSPWR2的HiPowerFinder功能可避免分析深度內(nèi)存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn)，HiPowerFinder便可在深度內(nèi)存數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點(diǎn)。找到該點(diǎn)后，可用TDSPWR2在光標(biāo)位置周圍放大，以詳細(xì)觀察其活動(dòng)。這一功能，加上前面提及的開關(guān)損耗測(cè)量功能，可使用戶迅速有效地分析開關(guān)器件的功率耗散情況。

　　計(jì)算電磁元件的功率損耗

　　另一種可減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān)。從典型的AC/DC和DC/DC線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其他組件，因此不僅會(huì)影響功率效率，而且可造成熱耗散。

　　電感器的測(cè)試通常采用LCR，LCR使用一正弦波作為測(cè)試信號(hào)。在開關(guān)式電源中，電感器將被加載上高壓、高電流開關(guān)信號(hào)，但都不是正弦信號(hào)。因此電源設(shè)計(jì)人員需監(jiān)視實(shí)際通電電源內(nèi)的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進(jìn)行的測(cè)試，不能反映實(shí)際情況。

　　觀察磁芯特征的最有效方法是通過B-H曲線，因?yàn)锽-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的行為特征。以前，若需查看和分析B-H特征,設(shè)計(jì)人員須先捕獲信號(hào)，然后在個(gè)人PC上進(jìn)行進(jìn)一步的分析?，F(xiàn)在，用戶可通過TDSPWR2直接在示波器上進(jìn)行B-H分析，即時(shí)觀察電感器行為特征。在做深入分析時(shí)， TDSPWR2還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標(biāo)鏈接。

　　TDSPWR2的B-H分析能力還可在實(shí)際的SMPS環(huán)境中自動(dòng)測(cè)量功率損耗。若需推導(dǎo)電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯或次磁芯上進(jìn)行功率損耗測(cè)量。這些結(jié)果之差即是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。這些測(cè)量值可揭示功率耗散區(qū)的信息。

　　結(jié)論

　　TDSPWR2分析軟件具有開關(guān)器件功率損耗、HiPower Finder和B-H分析等關(guān)鍵功能，可快速提供開關(guān)式電源的各項(xiàng)測(cè)量值。如果與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數(shù)字熒光示波器一起使用，用戶不僅能迅速查找功率耗散區(qū)域，并能在動(dòng)態(tài)情況下觀察其功率耗散行為特征。